Схемотехника импульсных блоков питания. Импульсные блоки питания: устройство, принципы работы и преимущества

Как работают импульсные источники питания. Какие преимущества они имеют перед линейными блоками питания. Какие основные топологии используются при проектировании импульсных БП. Как развивались импульсные источники питания с момента их появления.

История развития импульсных источников питания

Импульсные источники питания прошли долгий путь развития, прежде чем стать повсеместно используемыми устройствами:

• Принципы работы импульсных источников были известны ещё в 1930-х годах
• В 1950-х годах импульсные БП использовались в мейнфрейме IBM 704
• В 1960-х — в спутнике NASA Telstar
• В 1970-х — в персональном компьютере Apple II
• Широкое распространение получили благодаря развитию полупроводниковых технологий

Ключевым фактором, сделавшим импульсные БП практичными, стало изобретение мощных быстродействующих транзисторных ключей на основе VMOS-технологии. Это позволило значительно повысить рабочую частоту и эффективность преобразования энергии.

Принцип работы импульсных источников питания

Основные компоненты импульсного источника питания:

• Силовой ключ (транзистор)
• Фильтрующие конденсаторы
• Магнитные компоненты (дроссели, трансформаторы)
• Выпрямитель
• Схема управления

Принцип работы заключается в быстром переключении силового транзистора между состояниями насыщения и отсечки. Это позволяет передавать энергию от входа к выходу порциями. Выходное напряжение регулируется изменением скважности управляющих импульсов.

Преимущества импульсных источников питания

Импульсные БП имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с линейными:

• Высокий КПД (до 95% и выше)
• Малые габариты и вес
• Возможность получения нескольких выходных напряжений
• Широкий диапазон входных напряжений
• Хорошая стабилизация выходного напряжения

Это позволяет создавать компактные и эффективные источники питания для самых разных применений — от бытовой электроники до промышленного оборудования.

Основные топологии импульсных источников питания

Существует множество схемотехнических решений для реализации импульсных БП. Наиболее распространенные базовые топологии:

Buck (понижающий преобразователь)

Позволяет получить выходное напряжение ниже входного. Используется для питания низковольтных цепей от более высокого напряжения.

Boost (повышающий преобразователь)

Формирует на выходе напряжение выше входного. Применяется, например, для получения высокого напряжения в LED-драйверах.

Buck-boost (преобразователь с инверсией полярности)

Может как повышать, так и понижать напряжение, при этом меняя его полярность. Используется при необходимости получить отрицательное напряжение.

Современные тенденции в разработке импульсных БП

Основные направления совершенствования импульсных источников питания:

• Повышение рабочей частоты для уменьшения габаритов
• Применение новых магнитных материалов
• Использование GaN и SiC-транзисторов
• Цифровое управление
• Повышение удельной мощности

Это позволяет создавать все более компактные, эффективные и интеллектуальные источники питания для современной электроники.

Проектирование печатных плат для импульсных БП

При разработке топологии печатной платы импульсного источника питания необходимо учитывать ряд важных моментов:

• Минимизация паразитных индуктивностей силовых цепей
• Правильное размещение фильтрующих конденсаторов
• Разделение силовых и сигнальных цепей
• Экранирование чувствительных узлов
• Обеспечение эффективного теплоотвода

Грамотная компоновка платы позволяет минимизировать уровень электромагнитных помех и повысить надежность работы источника питания.

Области применения импульсных источников питания

Благодаря своим преимуществам, импульсные БП нашли широкое применение во многих сферах:

• Бытовая электроника (смартфоны, ноутбуки, телевизоры)
• Компьютерная техника
• Промышленное оборудование
• Телекоммуникационные системы
• Автомобильная электроника
• Светодиодное освещение

Практически любое современное электронное устройство содержит тот или иной вариант импульсного преобразователя напряжения.

Особенности проектирования импульсных БП

При разработке импульсного источника питания инженеру необходимо решить ряд задач:

• Выбор оптимальной топологии схемы
• Расчет и выбор силовых компонентов
• Проектирование магнитных элементов
• Разработка системы управления
• Обеспечение электромагнитной совместимости
• Тепловой расчет

Правильное решение этих задач позволяет создать эффективный и надежный источник питания, отвечающий всем требованиям конкретного применения.

Импульсные источники питания — Теория и практика | Микросхема

В последнее время в среде радиотехников и радиоинженеров, а также при производстве сложной электроники в промышленных масштабах особую популярность завоевали импульсные источники питания. Наметилась тенденция отказа от типовых громоздких трансформаторных и переход на малогабаритные конструкции импульсных блоков питания, преобразователей напряжения, конвертеров, инверторов. Мы на страницах радиолюбительского сайта уже не раз подходили к данному вопросу, предлагая вам как теоретическую информацию (например, расчет импульсных трансформаторов), так и уже готовые конструкции ИИП (к примеру, автомобильные преобразователи напряжения).

В общем, тема импульсных источников достаточно актуальная и интересная, входящая в область силовой электроники. Данное направление радиоэлектроники перспективное и стремительно развивающееся. Основной целью является разработка мощных устройств питания, отвечающих современным требованиям надежности, качества, долговечности, минимизации массы, размеров, энерго- и материалоемкости. Практически вся современная электроника, включая всевозможные ЭВМ, аудио-, видеотехнику питается от компактных импульсных блоков питания.

Сегодня хотим порекомендовать для обязательного прочтения вам, уважаемые радиолюбители, одну из лучших книг по силовой электронике и практике конструирования импульсных источников питания.

Написана она радиоинженером-практиком на основании личного опыта и призвана помочь радиолюбителю по возможности быстро и не утомительно разобраться в принципах работы импульсных устройств электропитания. Доступным языком рассказывается об основах проектирования ИИП, о перспективной элементной базе и особенностях ее применения, оптимальном выборе. Не будут лишними и практические конструкции. Полезной дополнительной информацией станет, например, создание высокочастотных балластов для ламп дневного света, а также электронных корректоров коэффициента мощности.

Идея написания книги возникла после продолжительной радиотехнической переписки автора с радиолюбителем, задумавшим сделать импульсный сварочный аппарат. Позже к переписке подключились еще несколько радиоинженеров. Вопросы людей, живущих не то что в разных городах, а в разных странах, совпадали с поразительной точностью! Наверняка, при изучении материала поймаете себя на мысли, что аналогичные вопросы возникали и у вас.

Тот, кто хоть раз сталкивался в жизни с силовой электротехникой в качестве разработчика или ремонтника, знает, что эта область электроники рождает массу кажущихся неразрешимыми вопросов. Силовая импульсная техника не прощает ошибок, не дает времени на «разбор полетов». Один неверный шаг — и она сгорает, как новогодняя хлопушка.

Здесь хочется привести цитату из трудов Хоровица и Хилла: «Импульсные источники питания сложны и хитроумны с точки зрения надежности. Необходимы специальные индуктивности и трансформаторы. Наш совет: откажитесь от их проектирования, покупайте то, что вам нужно!» Ничего не имеем против авторов и их публикации. Более того, их издания действительно являются шедеврами радиоэлектроники, и ещё пару десятков лет назад этот совет был весьма актуален. Теперь же, с появлением принципиально новых электронных компонентов, задача проектирования импульсных источников питания упростилась настолько, что даже начинающие радиолюбители смогут получить отличные результаты в своей домашней лаборатории. Однако и при современном уровне развития силовой элементной базы проектирование импульсного источника остается «задачей со многими неизвестными».

Большинство отечественных книг по импульсной электротехнике изданы более десяти лет назад и, в массе своей, рассчитаны на опытного радиоинженера, а подавляющая часть вообще более не актуальна. Материал в них труден для понимания начинающими радиолюбителями. Зарубежные издания в этом плане значительно превосходят отечественные. Однако далеко не все могут их разыскать и далеко не все владеют иностранными языками.

Очень много актуальных статей, как чисто теоретических, так и с готовыми конструкциями, «рассыпано» в профессиональных и радиолюбительских журналах. Конечно же, журнальные публикации крайне неудобны в быстром освоении темы импульсных источников питания. На отбор необходимых статей уйдет очень много драгоценного времени.

Автору удалось привести много полезных специальных сведений, которые едва ли можно найти в учебниках. Возможность работы в сети Интернет открывает для радиолюбителей и радиоинженеров широкие возможности быстрого поиска необходимой информации. Работают также сетевые конференции, сайты, блоги, форумы, чаты, в рамках которых возможно запросто пообщаться с коллегами.

Работая над книгой, автор стремился построить материал так, чтобы было интересно и радиолюбителям, имеющим небольшой практический опыт, и профессиональным разработчикам, радиоинженерам. Теория здесь перемежается с практическими конструкциями, доступными для повторения в радиолюбительских мастерских. Автор приложил все усилия к тому, чтобы теоретическая часть не казалась слишком сложной, раздутой и громоздкой, но полностью отказаться от математических формул, графиков, аналитических рассуждений — значит оставить законы силовой электронной техники под завесой тайны.

Конечно, ни одна книга не сможет дать всеобъемлющие знания по качественному инженерному проектированию. Автор, однако, надеется, что ему удастся хотя бы ввести всех заинтересованных радиотехников и электронщиков в курс импульсной силовой электроники.

Благодарим автора издания Бориса Юрьевича Семенова, родившегося в 1973 году в Ленинграде (наст. Санкт-Петербурге). В настоящее время занимается проектированием регулируемых импульсных источников питания и статических преобразователей мощностью до 30 кВт. На счету несколько научно-популярных трудов. В заключении Борис Юрьевич пишет: «Статьи и книги, выходящие с моей фамилией на обложке или на титульном листе – это плоды увлечения, возникшего в детском возрасте и ставшего профессией, это желание поделиться опытом с читателями самых разных возрастов, это стремление «заразить» их интереснейшим, не проходящим с годами делом».

Скачать

Метки: справка

Радиолюбителей интересуют электрические схемы:

TDA1517 — простой усилитель звуковой частоты
Бестрансформаторный двухполярный источник питания

Импульсный источник питания: особенности, устройство, топологии

Содержание

• 1 Появление импульсных источников питания
• 2 Достоинства импульсных блоков питания
• 3 Устройство импульсных источников питания
• 4 Схемотехника импульсных блоков питания
  • 4. 1 Buck топология
  • 4.2 Boost топология
  • 4.3 Polarity Inverter топология

Импульсный источник питания – электронная схема, где входное напряжение выпрямляется, фильтруется, нарезается пачками импульсов высокой частоты для передачи через малогабаритный трансформатор. Блок становится управляемым, с гибко подстраиваемыми параметрами. Уменьшается масса самой тяжелой части источника – трансформатора. В англоязычной литературе такие приборы именуются Switching-Mode Power Supply (SMPS).

Прибор SMPS (импульсный источник питания)

Появление импульсных источников питания

Размеры трансформаторов волновали еще Теслу. Ученый повторяя опыт за опытом, установил: высокие частоты тока безопасны для человека, провоцируют большие потери в сердечниках трансформаторов. Результатом споров стало принятие частоты 60 Гц для строительства Ниагарской ГЭС. Начали с Николы Тесла, потому что это первый человек, который понял, что быстрые колебания механическим способом не получишь. Следовательно, приходится использовать колебательные контуры. Так появился трансформатор Тесла (22 сентября 1896 года), при помощи которого ученый задумал передавать на расстояние сообщения и энергию.

Суть изобретения описана в разделе про катушку Тесла, приведем краткие сведения. Трансформатор образован двумя частями, включенными последовательно. Первичная обмотка первого подключалась к источнику переменного напряжения сравнительно низкой частоты. Благодаря низкому коэффициенту трансформации происходил заряд конденсатора, подключенного ко вторичной обмотке, до  высокого потенциала. Напряжение достигало порога, пробивался разрядник, включенный параллельно конденсатору. Начинался колебательный процесс разряда через первичную обмотку второго трансформатора во внешнюю цепь. Тесла получал напряжения радиодиапазона амплитудой миллионы вольт.

Первые шаг в создании импульсных блоков питания, где напряжение сравнительно низкой частоты преобразуется в импульсы. Аналогичную конструкцию создал в 1910 году Чарльз Кеттеринг, оборудуя системы зажигания автомобилей. Импульсные блоки питания появились в 60-е годы. Идея минимизации размеров трансформаторов (после Николы Тесла) выдвинута компанией General Electric в 1959 году в лице Джозефа Мерфи и Фрэнсиса Старчеца (U.S. Patent 3,040,271). Идея не сразу нашла горячий отклик (отсутствовала подходящая элементная база), в 1970 году компания Тектроникс выпустила линейку осциллографов с новым источником питания.

Осциллограф

Двумя годами позже инверторы находят применение в электронике (Patent US3697854 A ), главное – появляются первые отечественные модели! Патенты ссылаются друг на друга, невозможно понять, кто первым предложил использовать идею в персональных компьютерах. В СССР разработки начались в 1970 году, связано с появлением в продаже высокочастотного мощного германиевого транзистора 2Т809А. Как оговаривается в литературе, первым в 1972 году добился успеха москвич, кандидат технических наук Л. Н. Шаров. Позже появился импульсный блок питания 400 Вт авторством А. И. Гинзбурга, С. А. Эраносяна.  Вычислительные машины ЕС новинкой оборудованы в 1976 году коллективом под руководством Ж. А. Мкртчяна.

Первые импульсные блоки питания, известные отечественному потребителю по цифровым телевизорам и видеомагнитофонам, часто ломались, современные изделия лишены недостатка – работают непрерывно годами. Момент начала 90-х годов снабжает следующими сведениями:

1. Удельная мощность: 35 – 120 Вт на кубический дециметр.
2. Рабочая частота инвертора: 30 – 150 кГц.
3. КПД: 75 – 85%.
4. Время наработки на отказ: 50 – 200 тысяч часов (6250 рабочих дней).

Достоинства импульсных блоков питания

Линейные источники питания громоздкие, эффективность хромает. КПД редко превышает 30%. Для импульсных блоков питания средние цифры лежат в диапазоне 70 – 80%, существуют изделия, сильно выбивающиеся из ряда. В лучшую сторону, разумеется. Приводятся сведения: КПД импульсного блока питания достигает 98%. Одновременно снижаются требуемые фильтрации емкости конденсаторов. Энергия, запасаемая за период, сильно падает с повышением частоты. Зависит прямо пропорционально от ёмкости конденсатора, квадратично от амплитуды напряжения.

Повышение до частоты 20 кГц (в сравнении с 50/60) снижает линейные размеры элементов в 4 раза. Цветочки в сравнении с ожиданиями в радиодиапазоне. Объясняет причину оснащения приемников конденсаторами малого размера.

Устройство импульсных источников питания

Входное напряжение выпрямляется. Процесс осуществляет диодный мост, реже одиночный диод. Затем напряжение нарезается импульсами, здесь литература бодро переходят к описанию трансформатора. Читателей наверняка мучает вопрос – как работает чоппер (устройство, формирующее импульсы). На основе микросхемы, питающейся непосредственно сетевым напряжением 230 вольт. Реже специально ставится стабилитрон (стабилизатор параллельного типа).

Микросхема формирует импульсы (20 – 200 кГц), сравнительно малой амплитуды, управляющие тиристором или иным полупроводниковым силовым ключом. Тиристор нарезает высокое напряжение импульсами, по гибкой программе, формируемой микросхемой генератора. Поскольку на входе действует высокое напряжения, нужна защита. Генератор охраняется варистором, сопротивление которого резко падает при превышении порога, замыкая вредный скачок на землю. С силового ключа пачки импульсов поступают на малогабаритный высокочастотный трансформатор. Линейные размеры сравнительно невысоки. Для компьютерного блока питания мощностью 500 Вт умещается детской ладонью.

Полученное напряжения вновь выпрямляется. Используются диоды Шоттки, спасибо низкому падению напряжения перехода металл-полупроводник. Спрямленное напряжение фильтруется, подается потребителям. Благодаря наличию множества вторичных обмоток достаточно просто получаются номиналы различной полярности и амплитуды. Рассказ неполон без упоминания цепи обратной связи. Выходные напряжения сравниваются с эталоном (например, стабилитрон), происходит подстройка режима генератора импульсов: от частоты, скважности зависит передаваемая мощность (амплитуда). Изделия считаются сравнительно неприхотливыми, могут функционировать в широком диапазоне питающих напряжений.

Корпусной блок питания

Технология носит название инверторной, используется сварщиками, микроволновыми печами, индукционными варочными панелями, адаптерами сотовых телефонов, iPad. Компьютерный блок питания работает подобным образом.

Схемотехника импульсных блоков питания

Природой предоставлено 14 базовых топологий реализации импульсных блоков питания. С присущими достоинствами, уникальными характеристиками. Некоторые подходят созданию маломощных блоков питания (ниже 200 Вт), другие лучшие качества проявляют при питании сетевым напряжением 230 вольт (50/60 Гц). И чтобы выбрать нужную топологию, сумейте представить свойства каждой. Исторически первыми называют три:

• Buck – бак, олень, доллар.
• Boost – ускорение.
• Polarity inverter – инвертор полярности.

Три топологии относятся к линейным регуляторам. Тип приборов считается предшественником импульсных блоков питания, не включая достоинств. Напряжение подается через трансформатор, спрямляется, нарезается на силовом ключе. Работой регулятора заведует обратная связь, в задачи которой входит формирование сигнала ошибки. Тип приборов составлял многомиллиардный оборот в 60-е годы, мог лишь понижать напряжение, а общий провод потребителя замыкался с сетью питания.

Схема Buck топологии

Buck топология

Так появились «олени». Первоначально предназначенные для постоянного напряжения нарезали входной сигнал импульсами, затем пачки спрямлялись, фильтровались с получением средней мощности. Обратная связь контролировала скважность, частоту (широтно-импульсная модуляция). Аналогичное делается сегодня компьютерными блоками питания. Практически сразу были достигнуты значения плотности мощности 1 – 4 Вт на кубический дюйм (впоследствии до 50 Вт на кубический дюйм). Прелестно, что стало можно получать множество выходных напряжений, развязанных со входом.

Недостатком сочтем потери в момент переключения транзистора, напряжение меняет полярность, остается ниже нуля до следующего импульса. Указанная часть сигнала, минуя диод, замыкается на землю, не доходя фильтра. Обнаружено существование оптимальных частот переключения, при которых издержки минимизируются. Диапазон 25 – 50 кГц.

Схема Boost топологии

Boost топология

Топология именуется кольцевым дросселем, ставится вперед ключа. Удается повысить входное напряжение до нужного номинала. Схема работает следующим образом:

1. В начальный момент времени транзистор открыт, дроссель запасается энергией источника напряжения через коллекторный, эмиттерный p-n-переходы, землю.
2. Затем ключ запирается, стартует процесс зарядки конденсатора. Дроссель отдает энергию.
3. В некоторый момент отрабатывает усилитель обратной связи, начинается питание нагрузки. Конденсатор неспособен отдать энергию в сторону силового ключа, мешает диод. Заряд забирает полезная нагрузка.
4. Падение напряжения вызовет повторное срабатывание цепи обратной связи, начнется накопление энергии дросселем.

Polarity Inverter топология

Топология полярного инвертора похожа на предыдущую схему, дроссель расположен за ключом. Работает следующим образом:

1. В начальный момент времени ключ открыт, положительной полуволной напряжения наполняет дроссель энергией. Далее энергия пройти бессильна – мешает диод.
2. Транзистор закрывается, в дросселе возникает ЭДС, называемая паразитной. Направлена противоположно начальной, свободно проходит диод, подзаряжая конденсатор.
3. Срабатывает схема обратной связи, широтно-импульсный модулятор вновь открывает транзистор. Начинается процесс разрядки конденсатора в нагрузку, дроссель вновь заполняется энергией.

Схема Polarity Inverter топологии

В этом случае наблюдаем параллельность процессов запасания/расходования энергии. Все три рассмотренные схемы демонстрируют следующие недостатки:

1. Имеется связь по постоянному току между входом и выходом. Другими словами, отсутствует гальваническая развязка.
2. Невозможно получить несколько номиналов напряжений из одной схемы.

Минусы устраняются двухтактной тяни-толкай (push-pull), запаздывающей (latter) топологиями. Обе используют чоппер с технологией опережения (forward). В первом случае используется дифференциальная пара транзисторов. Становится возможным использовать один ключ на половину периода. Для управления нужна специальная формирующая схема, попеременно раскачивающая эти качели, улучшаются условия отвода тепла. Нарезанное напряжение двухполярное, питает первичную обмотку трансформатора, вторичных много – сообразно требованиям потребителей.

В запаздывающей топологии один транзистор заменен диодом. Схема часто эксплуатируется маломощными блоками питания (до 200 Вт) с постоянным напряжением на выходе 60 – 200 В.

Цепь питания | Дайджест схемы

Схема драйвера светодиодов

	Zeus: Блок питания высокой мощности от переменного тока к постоянному При изготовлении индивидуальной RGB-светодиодной установки в нашем доме, в основном это была группа адресуемых светодиодов 5 В WS2812, но…
	Создайте простое зарядное устройство для литиевых батарей 12,6 В CC/CV с использованием микросхемы маломощного первичного переключателя Viper VP22A Импульсные источники питания (SMPS) являются одними из наиболее часто используемых преобразователей переменного тока в постоянный на рынке, поскольку они принимают 110 В…
	Схема источника питания 12 В 1 А с использованием VIPer22A Схемы питания с импульсным режимом (SMPS) чаще всего требуются во многих электронных конструкциях для преобразования сети переменного тока…
	Разработка схемы SMPS 12 В/27 Вт с помощью IC контроллера UC3843 Импульсный источник питания или просто SMPS — это тип блока питания (PSU), в котором используется переключающее устройство (например,…
	Как спроектировать двухтактный преобразователь — базовая теория, конструкция и демонстрация Когда дело доходит до работы с силовой электроникой, топология преобразователя постоянного тока становится очень важной для практического проектирования. Там…
	230 В переменного тока для питания светодиодных ламп мощностью 2,5 Вт Схемы драйверов светодиодов переменного тока чрезмерно популярны из-за продвижения сильноточных белых светодиодов. Мы уже сделали Transformerless…
	Как протестировать плату источника питания SMPS Для проверки функциональных возможностей продукта и конструктивных параметров цепи питания требуются сложные методы тестирования и…
	Создайте свой собственный регулируемый импульсный источник питания 5 В, 1 А с помощью вышедшего из строя блока питания ATX для компьютера Импульсный источник питания (SMPS) является неотъемлемой частью любой электронной конструкции. Применяется для преобразования сетевых высоковольтных…
	Создайте собственную компактную схему SMPS 5 В/3,3 В для встраиваемых систем и проектов Интернета вещей Грубый способ питания ваших цепей постоянного тока от сети переменного тока — использование понижающего трансформатора для понижения сетевого напряжения 230 В…
	Важные параметры, которые необходимо учитывать при выборе регулятора напряжения Регулятор напряжения — это простое и экономичное устройство, которое может изменять входное напряжение на другом уровне на выходе…

Подписаться на схему питания

С нами ваша электронная почта в безопасности, мы не спамим.

Станьте частью нашего постоянно растущего сообщества.

Рекомендации по компоновке печатной платы импульсного блока питания — на пути к лучшему коммутатору

Вы когда-нибудь начинали компоновку импульсного блока питания только для того, чтобы понять, что невозможно соответствовать предложенной схеме? Задумывались ли вы, какие части эталонного проекта следует сохранить, а какие можно изменить? Как выбор макета влияет на производительность видеомикшера? В этой статье я намерен кратко рассказать историю, объяснить основные принципы работы и привести примеры импульсных источников питания и методов их проектирования. При этом я надеюсь передать то удовольствие, которое я получаю от разработки этих уникальных схем.

История коммутатора

Некоторые могут подумать, что использование импульсных источников питания началось в 1970-х годах, но принципы их работы были известны еще в 1930-х годах. Их реализации включают мейнфрейм IBM 704 (1950-е), спутник НАСА Telstar (1960-е) и знаменитый персональный компьютер Apple II (1970-е). И почти с тех пор… ну, это было так!

Нет недостатка в тех, кто хочет поставить себе в заслугу популярность импульсного блока питания. Однако реальность такова, что инновации в полупроводниковой промышленности (улучшения в переключающих транзисторах и разработка новых ИС контроллеров) должны приписать взрыв их популярности. Переключатель питания, который позволял очень быстро переключать большие токи, был действительно ключом к тому, чтобы сделать импульсные источники питания практичными для широкого спектра применений, в которых мы видим их сегодня. Изобретение вертикального выключателя питания на основе оксида металла и полупроводника (VMOS) обеспечило эту возможность. Силовые ключи на биполярных транзисторах хорошо работают в приложениях с высокой мощностью переключения, но эти компоненты имеют более медленные характеристики переключения, чем MOSFET, силовой ключ VMOS. Было важно, особенно для приложений бытовой электроники, увеличить скорость переключения не только для повышения энергоэффективности, но и для того, чтобы она была выше слышимого диапазона частот.

Терминология коммутатора

Импульсный источник питания также известен под другими названиями. Термин «импульсный источник питания» широко использовался до тех пор, пока Motorola не начала применять свою торговую марку SWITCHMODE™.
«Переключаемый режим» и «переключаемый режим» теперь являются общими терминами, а также инициалами SMPS. В компьютере основной источник питания можно назвать импульсным источником питания, а источники питания в точке нагрузки можно назвать импульсными регуляторами. Чтобы избежать путаницы, вместо всего этого будет использоваться универсальный термин «переключатель».

Работа коммутатора

Коммутатор использует выключатель питания, фильтрующие конденсаторы, магниты и выпрямитель для передачи энергии от входа к выходу, обеспечивая регулируемый источник напряжения. Он работает, быстро включая и выключая выключатель питания. Входное напряжение и рабочий цикл, который представляет собой пропорцию времени, в течение которого переключатель находится во включенном и выключенном состоянии, определяют выходное напряжение. Во включенном состоянии переключатель находится в режиме насыщения с незначительным падением напряжения на нем. В выключенном состоянии переключатель находится в режиме отключения с незначительным током через него. Это два очень эффективных состояния, в которых выключатель питания рассеивает очень мало энергии. Это приводит к очень эффективному преобразованию энергии и очень небольшим потерям мощности из-за нагрева.

Коммутаторы не требуют низкочастотных трансформаторов, которые имеют большие размеры и вес; однако они требуют высокочастотной фильтрации. Фильтрация может быть выполнена с использованием гораздо меньших компонентов. Все это дает коммутаторам огромное преимущество перед аналогами с линейными регуляторами в области миниатюризации и энергоэффективности. Недостатки использования переключателей заключаются в том, что они могут быть требовательны к компоновке и из-за быстрых переключений и сильноточных путей могут излучать электромагнитные помехи (они могут быть шумными!).

Типы коммутаторов

Существует два типа коммутаторов: трансформаторно-изолированные и неизолированные. Коммутаторы, использующие входное напряжение выше 42,5 В постоянного тока, обычно требуют использования изоляции трансформатора. Неизолированные переключатели могут быть очень маленькими и компактными, и часто переключатель питания и схема управления находятся на одном кристалле. Существуют различные топологии переключателей (электрическое расположение переключателя, магниты, конденсаторы и диоды) для выполнения требований к напряжению источника и нагрузки современных электронных устройств. В таблице 1 перечислены три распространенные топологии неизолированных коммутаторов.

Изолированные коммутаторы имеют много общих топологий. Каждый из них имеет характеристики, которые делают его более подходящим для конкретного применения источника питания. Входное напряжение, выходная мощность и максимальный выходной ток являются основными факторами при выборе топологии. Другие факторы включают стоимость, эффективность, количество выходов, изоляцию, размер и технические требования. Топологии изолированных коммутаторов могут быть довольно сложными, но их основная конструкция основана на топологиях неизолированных коммутаторов. Катушка индуктивности в конструкции неизолированного переключателя разделена и соединена, образуя трансформатор, который обеспечивает изоляцию. Используя эту концепцию, прямоходовой преобразователь основан на понижающем преобразователе, а обратноходовой преобразователь основан на повышающе-понижающем преобразователе. Остальные перечисленные изолированные топологии (таблица 2) являются производными от базовой конструкции прямого преобразователя.

Для простоты в этой статье основное внимание будет уделено неизолированному, DC-DC, одному положительному выходу, понижающему регулятору (также известному как понижающий преобразователь) в качестве примера схемы коммутатора.

Советы по компоновке

Лучшим ресурсом для начала компоновки коммутатора является техническое описание производителя вместе с любыми указаниями по применению. Возможно, макет, предоставленный для целей оценки, может быть использован в качестве справочного материала. Как правило, если вы точно следуете рекомендуемой компоновке и примечаниям, то результирующая компоновка работает так, как задумал производитель. Однако чаще всего один или несколько факторов заставляют вас вносить изменения в реализацию эталонного макета. К этим факторам относятся:

 Основные компоненты отличаются по размеру и форме
 Функции схемы исключены или добавлены
 Механические ограничения
 Близость к другим схемам и плотность платы
 Дополнительные тепловые требования
 Требования к испытаниям
 Детали с мелким шагом, требующие более тонкой медной массы
 Требуются большие переходные отверстия из-за толщины платы или проблем с надежностью
 Различное количество слоев печатной платы

Любой из этих факторов может повлиять на вашу способность внедрить компоновку производителя в ваш проект. Это означает, что что-то должно измениться, но что? А что, если нет примечаний по применению, к которым можно было бы обратиться? Как вы принимаете правильные решения по проектированию такой критической схемы?

Обзор схемы

Прежде всего, необходимо определить ключевые силовые компоненты в цепи коммутатора. Это (см. схему на рис. 1):
Конденсаторы фильтра: Cin и Cout быстро создают и потребляют большие уровни переменного тока.
Выключатель питания: U1, проходной элемент, обычно представляет собой полевой МОП-транзистор. Это может быть одно или несколько дискретных устройств или встроенных в контроллер, если он есть.
Индуктор: L1, магнитный элемент, обеспечивает хранение энергии, которая будет восстановлена, когда переключатель выключен.
Диод: D1, выходной выпрямитель, обычно представляет собой диод Шоттки, но в сверхэффективных (например, синхронных выпрямителях) коммутаторах эту функцию выполняет полевой МОП-транзистор.
Катушка индуктивности и конденсатор Cout образуют LC-фильтр, обеспечивающий фильтрацию высокочастотных пульсаций напряжения. Иногда параллельно Cin подключается высокочастотный шунтирующий конденсатор (Cbypass или Chf). Этот конденсатор необходимо разместить очень близко к входу переключателя. Часто силовые компоненты схемы коммутатора находятся «на кристалле», то есть находятся на контроллере. Разводка печатной платы будет следовать тем же правилам, что и когда эти компоненты находятся «вне микросхемы».

Пути питания

Понимание того, как работает коммутатор, требует определения нескольких контуров критического тока: постоянного (непрерывного) и переменного (переменного).

Цепи постоянного тока: 1) входная петля, от источника ввода, через конденсатор Cin и обратно к источнику, и 2) выходная петля, от конденсатора Cout, через выходную нагрузку и обратно вернуться к Коут. На рис. 2 показано расположение контуров ввода и вывода. Эти контуры необходимо подключать как непосредственно к выводам соответствующих фильтрующих конденсаторов, так и короткими широкими дорожками для низкого импеданса.

Эти два отдельных контура постоянного тока можно рассматривать как пути прохождения тока нерегулируемого источника и регулируемые напряжения нагрузки.
Цепями переменного тока являются петля переключателя питания и петля выходного выпрямителя.
Цепь переключателя питания формируется, когда переключатель питания находится в положении ON. За это время прямой ток течет от Cin, через переключатель, катушку индуктивности, через Cout и возвращается обратно к Cin.
Контур выходного выпрямителя формируется, когда переключатель находится в положении OFF. Теперь энергия восстанавливается из индуктора (магнитного накопителя). Во время этого цикла прямой ток течет от индуктора к Cout и возвращается от Cout через выпрямитель и обратно к индуктору.
Можно представить функцию коммутатора как преобразование постоянного тока на входе в переменный ток, а затем обратно в постоянный ток на выходе для повышения энергоэффективности.
Цепи переменного тока являются наиболее важными соединениями в любой компоновке коммутатора. Эти пути имеют приоритет над всеми остальными. Их размещение и разводку необходимо спланировать в первую очередь, и они должны быть проложены короткими путями с низкой индуктивностью (см. рис. 3).

Обратные пути переменного тока должны максимально соответствовать соответствующим путям прямого тока. Лучший способ сделать это — использовать полную заземляющую пластину в непосредственной близости от следующего соседнего слоя печатной платы. Минимизируя площадь контура и заставляя обратный путь точно следовать пути прямого тока, противоположные магнитные поля будут стремиться нейтрализовать друг друга. Это снижает нежелательные электромагнитные помехи. Обратный путь не должен быть занят слишком большим количеством незаземленных переходных отверстий, которые могут подорвать эффективную медь для этого пути, создавая отверстия или щели в этой плоскости. Также лучше выровнять эти переходные отверстия, оставив широкие медные проходы в направлении обратного пути. Разница между двумя обратными путями переменного тока (от анода выпрямителя к отрицательной клемме Cin) должна быть короткой, с низким импедансом, заземлением с общей точкой, которая включает в себя отрицательную клемму Cout и, если применимо, тепловую клемму контроллера. пэд и любые соединения PGND.

Все силовые компоненты должны располагаться на одной стороне платы, а соединения прямого тока должны выполняться без тепловой защиты и без использования переходных отверстий. Заземляющие переходы также должны быть соединены с плоскостью без тепловой разгрузки.

Выход коммутатора называется узлом SW и является частью пути прямого переменного тока. Он несет быстрые переключения, колебания напряжения большой амплитуды (высокие значения dV/dT), а также высокие пиковые токи. Это соединение, в частности, должно быть как можно короче. На уровне контроллера важно сделать это соединение очень малоиндуктивным, и оно должно быть достаточно широким для тока, протекающего через него. Не рекомендуется расширять соединение для компенсации большего расстояния. Это связано с тем, что вероятность того, что это соединение станет антенной и будет излучать электромагнитные помехи, напрямую зависит от его длины. Схема коммутатора должна быть размещена таким образом, чтобы это соединение было удалено от других схем, включая другие коммутаторы на той же плате.

Соединение SW-узла не должно быть частью медного залива, используемого для отвода тепла, даже если это лучший механический способ отвода тепла от коммутатора (см. рис. 4). Медное заливание для управления тепловым режимом должно использовать низкоимпедансные и бесшумные соединения постоянного тока (GND, VOUT и VIN). Направление воздушного потока также может потребоваться при размещении высоких компонентов, таких как катушки индуктивности и фильтрующие конденсаторы, вокруг дискретных силовых выключателей. Компактный размер коммутатора, необходимый для снижения электромагнитных помех, также может затруднить эффективный отвод тепла.

Схема управления

Последний аспект коммутаторов, который мы рассмотрим, — это схема управления. Схема управления определяет рабочий цикл, который, в свою очередь, определяет выходное напряжение. Сигнал управления рабочим циклом, который может обеспечиваться либо полностью интегрированным контроллером источника питания, либо более простым драйвером затвора, несет частоту переключения (см. рис. 4). По этой трассе протекает ток средней величины, и ее следует прокладывать вдали от сильноточных контуров. Он также должен быть проложен вдали от любых чувствительных схем, на которые он может воздействовать. Также может потребоваться направить этот сигнал в паре с другим сигналом от выхода драйвера к выключателю питания, чтобы уменьшить площадь контура и обеспечить подавление синфазного шума.

Рабочий цикл рассчитывается, чтобы убедиться, что коммутатор обеспечивает требуемое выходное напряжение. Чтобы правильно отрегулировать рабочий цикл, необходима некоторая форма обратной связи от выходной нагрузки: либо по напряжению, либо по току. Для этой цели часто используется схема аналогового усилителя с исправлением ошибок. Вход этого усилителя (узел FB) имеет высокое сопротивление и, следовательно, чувствителен к шуму, поэтому соединение с ним должно быть очень коротким (см. рис. 5). Для этого все компоненты, генерирующие сигнал обратной связи (например, сеть делителей напряжения), должны быть размещены близко к контроллеру, а вход этих компонентов должен быть направлен на последний выходной конденсатор или иногда на нагрузку. Задача состоит в том, чтобы не допустить искажения сигнала FB и других низкоуровневых аналоговых управляющих сигналов трактами мощности с высоким значением dV/dT, оставаясь при этом в непосредственной близости от них. По этой причине во многих случаях вам нужно будет обеспечить отдельную область аналогового заземляющего слоя, где эти низкоуровневые сигналы ссылаются, и которая соединена с землей в одной точке. Следы обратной связи и все аналоговые сигналы должны пересекаться в области аналогового заземления в этой общей точке.

Резюме

Некоторым спецификациям или примечаниям по применению можно точно следовать, если макет, который они предоставляют, идеально подходит для использования в вашем проекте без изменений. Это редко случается с импульсными блоками питания. Будь то функция, добавленная или опущенная на схеме, или компонент, который слишком велик для отведенного места, или что-то столь же незначительное, как изменение размера переходного отверстия, что-то в вашем проекте должно быть другим.